JP2005288684A - 振動工具 - Google Patents

Abstract

【課題】 小さな構造物に対して任意に設定した振動数と振幅で砥石を振動させて精密仕上げ加工を行う小型軽量で耐久性のある振動工具を提供する。
【解決手段】 工作物に対し砥石を振動させて精密仕上げ加工を行う振動工具において、前記砥石とこの砥石を固定保持する砥石保持部材とを有する砥石部と、この砥石部とアーマチュアとトーションスプリングとが固定されるビーム部と、前記アーマチュアを駆動しコア及びコイルを有する電磁吸引力発生部と、この電磁吸引力発生部と前記ビーム部と前記ビーム部の位置を規制するストッパ部とが固定されるヨークベースとを備え、前記トーションスプリングは、前記ビーム部に固定される可動端と前記ヨークベースに固定される固定端とを備えると共に、前記ビーム部を回転振動運動可能に保持し、前記砥石は、前記アーマチュアの運動する向きと反対の向きに運動することを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、工作物に対して砥石を振動させて精密仕上げ加工を行う振動工具に関する。更に詳細にいえば、主に小さな構造物に対して電磁力を利用して砥石を振動させて精密仕上げ加工を行う方式の振動工具に関する。

従来から、空気圧や電磁力等を利用した振動工具が存在する。また、振幅の非常に小さいものとしては、圧電素子などによる超音波を利用した振動工具も存在する。これらの振動工具が各産業分野で実用的に使用されている。
これらの中で、従来の一般的な空気圧や電磁力等を利用した振動工具は、大型の振動工具で、振動振幅が大きく、強力なものが多いため、小さな構造物の精密な仕上げ加工に利用するには不向きなものが多い。
また、圧電素子などで発生させた非常に微小な超音波振動をホーンやコーン等により振動振幅を拡大して加工に用いる超音波振動工具では、超音波の振動数が、対象とする小さな構造物の固有振動数に近い場合に、加工時の振動数を大幅に変更するのは困難である。また構造が複雑で小型化することが困難である。

従来の電磁力を利用した振動工具の中では、比較的に振動振幅が小さい小型の振動工具の提案などもある。図１５にその機構の原理を示す。（例えば、特許文献１参照）
図１５の振動工具では、図示せぬ振動工具本体の所定の位置に回転自在に支持された回転軸７１に偏心軸７２を設け、更に、偏心軸７２と勘合するカムフォロア長溝７４ａを有するカムフォロア７４を設け、１対の板バネ７３の一方の端部を振動工具本体に固定してあるとともに他方の端部どうしをカムフォロア７４に固定し、砥石１１をこのカムフォロア７４に連結した構造である。
そして、回転軸７１の回転による偏心軸７２の偏心回動に伴って、板バネで一方向振動運動自在に振動工具本体に保持されているカムフォロア７４に直線的振動を発生させ、この振動するカムフォロア７４の動きを砥石１１に伝えることにより工作物に対して振動加工を行っている。

特開平８−０７１８９５号公報（第２−４頁、第３図）

しかしながら、図１５に示した従来技術における小型の振動工具の方式では、回転駆動部と、回転を直線運動に変換するのに回転する偏心軸７２とカムフォロア７４とが必要であり、小さな構造物を対象にして作業スペースの狭い所で使用する場合に、更なる小型化が困難であるという問題があった。また、構造上、振動振幅を変更するには回転する偏心軸７２の偏心量を変更しなければならないため、簡便に振動振幅を変更することができないという問題があった。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、主に小さな構造物に対してその固有振動数を避け、更に作業スペースの非常に少ない場所でも加工作業ができ、任意に設定した振動数と振幅で砥石を振動させて精密仕上げ加工を行う小型軽量で耐久性のある振動工具を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために、本発明は、工作物に対し砥石を振動させて精密仕上
げ加工を行う振動工具において、砥石とこの砥石を固定保持する砥石保持部材とを有する砥石部と、この砥石部とアーマチュアとトーションスプリングとが固定されるビーム部と、アーマチュアを駆動しコア及びコイルを有する電磁吸引力発生部と、この電磁吸引力発生部とビーム部とビーム部の位置を規制するストッパ部とが固定されるヨークベースとを備え、トーションスプリングは、ビーム部に固定される可動端とヨークベースに固定される固定端とを備えると共に、ビーム部を回転振動運動可能に保持し、砥石は、アーマチュアの運動する向きと反対の向きに運動することを特徴とする。

また、砥石部は、ヨークベースに対して電磁吸引力発生部が配設される側と反対側に配設されていることを特徴とする。

また、砥石部は、ビーム部の回転振動運動における中心部近傍にビーム部に対して略直角に固着されることを特徴とする。

また、ヨークベースとトーションスプリングとの間には、アーマチュアとコアとの間のクリアランスを調整するための調節シムが配設されていることを特徴とする。

また、コアは、アーマチュアと対向する上面に超硬の薄板がロー付けされることを特徴とする。

また、アーマチュアが浸炭処理されていることを特徴とする。

また、ストッパ部はストッパネジを有し、このストッパネジの先端に弾性を有するダンパー部材が設けられていることを特徴とする。

また、砥石保持部材は、弾性を有する材料からなることを特徴とする。

また、工作物は、基部と駆動電極を備えた駆動脚と検出電極を備えた検出脚とを有する振動体であることを特徴とする。

また、振動体は、水晶で形成されていることを特徴とする。

（作用）
本発明によれば、従来の振動発生機構のように、回転を直線運動に変換するのにカムフォロアと回転する偏心軸およびその回転駆動部が必要なく、全くフリクションフリーの構造であるので耐久性が良いとともに、小型化することが容易である。

また、砥石部は、ヨークベースに対して電磁吸引力発生部が配設される側と反対側に配設されるので、砥石部側の近傍に加工時に障害となる突起物がなく、加工作業範囲が広く取れると共に、砥石の位置確認が容易で、更に、加工作業が見やすい。

また、本発明によれば、トーションスプリングを回転中心にして回転振動運動するビーム部の任意の位置に砥石部を固着することができるので、保持部取り付け面に対して固着位置により砥石の振動方向を任意の角度に設定できる。このため、用途により最適な振動方向を用いることができる。特に、砥石部をビーム部の回転振動運動における中心部近傍にビーム部に対して略直角に固着すると保持部取り付け面に略平行に砥石を振動させることができる。

また、本発明によれば、砥石の振動振幅およびトーションスプリングの戻し力を、ヨークベースとトーションスプリングとの間の調節シムとビームに接するストッパ部のストッ
パネジで容易に調節することができる。このため、様々な加工目的に対して適当な砥石の振動振幅を簡便に設定することができる。

また、コアは、アーマチュアと対向する上面に超硬の薄板がロー付けされ、アーマチュアを浸炭処理し、それぞれの表面を硬化することにより、衝突接触するコア上面およびアーマチュア端面の摩耗を非常に少なくすることができる。この場合、超硬の部分が薄く、また浸炭処理も表面層のみであるので磁路の磁気抵抗はほとんど劣化しない。

更に、ストッパ部のストッパネジ先端に弾性を有するダンパー部材を設けることにより、ビームとストッパネジとが衝突接触する部位の摩耗を低減すると同時にビーム部の振動運動を安定化することができる。

また、砥石を保持する砥石保持部材が弾性を有するので、非常に低圧力で振動する砥石を工作物に対して押し付けることができ、小さな構造物の加工部位に対して精密な仕上げ加工をすることができる。

特に、工作物が基部と駆動電極を備えた駆動脚と検出電極を備えた検出脚とを有し、一部に振動方向などの特性を調整する調整部を有する振動体である場合には、調整加工が非常に精密であることが必要であるため有効である。この振動体が水晶である場合には、更に、脆性材料でもあるため、非常に有効である。工作物の一例としては、振動ジャイロ等の振動体がある。

本発明の振動工具は、電磁吸引力発生部で発生させた振動的な電磁吸引力によりビーム部のアーマチュアが振動的に吸引される微小な動きを、トーションスプリングを回転中心にして反転し、砥石がアーマチュアの運動する向きと反対の向きに振動的に運動して加工を行う。このため、従来の振動発生機構のように、回転を直線運動に変換するのにカムフォロアと回転する偏心軸およびその回転駆動部が必要なく、全くフリクションフリーの構造であるので耐久性が良いとともに、小型化することが容易であり、小さな構造物を作業スペースの小さな所で精密仕上げ加工するのに向いた小型軽量で耐久性の良い振動工具を提供することができる。

また、砥石部が、ヨークベースに対して電磁吸引力発生部が配設される側と反対側に配設されるので、砥石部側の近傍に加工時に障害となる突起物がなく、加工作業範囲が広く取れると共に、砥石の位置確認が容易で、更に、加工作業が見やすい振動工具を提供することができる。

以下、本発明の振動工具の好適な実施例を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１にかかる振動工具を示す図である。
図２は、図１のＡ−Ａ断面の断面図である。
図３は、本発明の実施例１にかかる振動工具のヨークベースを示す図である。
図４（ａ）は、本発明の実施例１にかかる振動工具のトーションスプリングを示す図である。
図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ断面を示す断面図であり、本発明の実施例１にかかる振動工具のトーションスプリングのＬ字曲げ部を示す図である。主に図２を参照しながら、本発明の実施例１にかかる振動工具を説明する。

本発明の実施例１にかかる振動工具は、大きく分けると、図２に示すように、砥石１１と砥石１１を固定保持する砥石保持部材１２とからなる砥石部１０と、ビーム２１の先端に砥石部１０、後端にアーマチュア２２が固着され、それらの間にビーム２１を回転自在に保持するトーションスプリング２３が固着されているビーム部２０と、ヨーク３４に固定されているコア３１にコイル３３を有するボビン３２が勘合して固定されている電磁吸引力発生部３０と、ストッパネジ４１とストッパ取り付けナット４２とからなるストッパ部４０と、それらを固定保持するヨークベース５０と、振動工具全体を固定保持する保持部６０とを有する構造である。

砥石部１０は、砥石１１と、金属材料等で製作された砥石保持部材１２とで構成されている。砥石保持部材１２の一端は砥石１１を固定保持し、他端はビーム２１の先端に固定保持される。砥石１１の形状、砥粒の粒度などは工作物形状や工作目的に応じて設定する。また、砥石１１は、ヨークベース５０に対して電磁吸引力発生部３０が配設される側と反対側に配設される。

ビーム部２０は、金属材料などで製作されたビーム２１と、電磁軟鉄などの磁性材料で製作されたアーマチュア２２と、砥石部１０と、金属バネ材料で製作されているトーションスプリング２３とから構成されている。
そして、ビーム２１の先端には砥石部１０が固定保持されており、また、ビーム２１の後端にはアーマチュア２２がカシメ加工などで固着されている。

更に、ビーム２１には、固着された砥石部１０とアーマチュア２２との間に、ビーム２１を回転自在に保持するトーションスプリング２３が固着されている。トーションスプリング２３のビーム２１への固着個所は図４（ａ）に示すトーションスプリング２３のトーションスプリング可動端２３ｂである。トーションスプリング２３は、図４（ｂ）に示すようにＬ字曲げ加工されたトーションスプリングＬ字曲げ部２３ｃを有している。

図２に示すように、電磁吸引力発生部３０は、電磁軟鉄等の材料で製作されたコア３１と、磁性材料で製作されたヨーク３４と、プラスチックなどの絶縁材料で製作されたボビン３２と、コイル３３と、コイル端子３６とからなる。 コア３１は、ヨーク３４に溶接やカシメ等で固定されており、一端はボビン３２の内径に勘合し、他端はネジ加工されて振動工具全体を固定保持するための保持部６０に保持部取り付けナット３５で固定することが出来るようになっている。

コイル３３を有するボビン３２は、コア３１に挿入され固定されている。また、コイル３３に電流を導く２つのコイル端子３６がボビン３２に固定され、ヨーク３４の底面にある２つの穴から外側に出ている。このような状態でヨーク３４とコイル３３との間に図示せぬ充填剤を充填し、硬化させると、コイル３３に発生した熱をヨーク３４を通して外部に放散することができ、またコイル３３を外側から固定することができるので耐久信頼性を向上することができる。

図３に示すヨークベース５０は、電磁軟鉄などの材料で製作されており、図４（ａ）に示すトーションスプリング２３の両端のトーションスプリング固定端２３ａを固定する２つのヨークベース側トーションスプリング固定部５２と、アーマチュア２２の外径より若干大きな穴であるアーマチュア穴５１と、図２に示すストッパ部４０の金属材料で製作されたストッパネジ４１を取り付けるストッパ取り付けネジ穴５４とを有する。

電磁吸引力発生部３０はヨークベース５０に、アーマチュア穴５１と電磁吸引力発生部３０のコア３１との中心を合わせて溶接等で固定されている。
ビーム部２０は、アーマチュア穴５１とビーム部２０のアーマチュア２２との中心を合
わせた状態でトーションスプリング２３の両端のトーションスプリング固定端２３ａが図３に示すヨークベース側トーションスプリング固定ネジ穴５３を有する２つのヨークベース側トーションスプリング固定部５２にトーションスプリング押え板６５を介してトーションスプリング固定ネジ６７で固定される。

トーションスプリング２３は、図４（ｂ）に示すトーションスプリング２３のＬ字曲げ根元部を回転中心とする回転方向の剛性は低く、これ以外の方向への剛性は高いので、ほぼトーションスプリング２３のＬ字曲げ根元部が回転中心になるトーションスプリングとして機能する。そして、トーションスプリング２３の両端のトーションスプリング固定端２３ａとヨークベース５０上のヨークベース側トーションスプリング固定部５２との間に任意に設定した厚さの調節シム６６を挟んで固定することにより任意にコア上面３１ａとアーマチュア端面２２ａとのクリアランスを調整することができる。

また、ストッパネジ４１はヨークベース５０上のストッパ取り付けネジ穴５４にストッパ取り付けナット４２で固定されている。このとき、コア上面３１ａとアーマチュア端面２２ａとのクリアランスから決まる砥石１１の振動振幅およびトーションスプリング２３の戻し力を勘案してビーム２１と接するストッパネジ４１の先端位置を設定する。従って、調節シム６６の厚さとストッパネジ４１の先端位置とにより、砥石１１の振動振幅およびトーションスプリング２３の戻し力が決定される。

特に砥石１１の振動数が高い場合にはトーションスプリング２３の戻し力を大きめにする必要がある。また、本実施例では、ヨークベース５０上のストッパネジ４１をビーム部２０の先端位置近傍に配置している。このように配置すると、ビーム部２０の振動振幅が大きくなる位置であるため、ビーム２１と接するストッパネジ４１の先端位置の調節代が大きくなり、設定が容易になる。

電磁吸引力発生部３０のコイル端子３６に電圧を印加することにより発生させた磁束は、コア３１とヨーク３４とヨークベース５０とアーマチュア２２とで構成される閉磁気回路を流れ、コア３１とアーマチュア２２との間に発生する磁気力によりアーマチュア２２がコア３１に吸引される。そして、トーションスプリング２３で回転可能に保持されているビーム部２０の先端にある砥石部１０は、アーマチュア２２がコア３１に吸引される向きと反対の向きに運動する。このとき、コイル端子３６に印加する電圧を設定された時間間隔と大きさで振動的に印加することにより、砥石１１を振動的に駆動して工作物を精密仕上げする。

本実施例によれば、全くフリクションフリーの構造であるので耐久性が良いとともに、小型化することが容易であり、砥石１１の振動数および振動振幅を加工内容に適した条件に容易に設定することができ、作業スペースが少ない小さな構造物の精密仕上げ加工に適した小型軽量で耐久性の良い振動工具を提供することができる。

また、砥石部１０は、ヨークベース５０に対して電磁吸引力発生部３０が配設される側と反対側に配設されるので、砥石部１０の近傍に加工時に障害となる突起物がなく、加工作業範囲が広く取れると共に、砥石１１の位置確認が容易で、更に、加工作業が見やすい。

次に、本発明の実施例２を図２および図７を参照しながら説明する。
なお、図７は、本発明の実施例２にかかる振動工具を示す断面図である。また、実施例１と同一の部位、同一の部材には同一の符号を付し、詳しい説明は省略する。この実施例では、図７に示すように、砥石部１０がビーム部２１の回転振動運動における回転中心近
傍にビーム部２１に対して略直角に固着されている構造になっている。

本実施例に拠れば、図７に示すように、保持部６０の取り付け面に略平行に砥石１１を振動させることができる振動工具を提供することができる。また、図には示していないが、本振動工具は、回転振動運動するビーム部の任意の位置に砥石部を固着することができるので、保持部取り付け面に対して固着位置により砥石の振動方向を任意の角度に設定できる。このため、用途により最適な振動方向を用いることができる振動工具を提供することができる。

次に、本発明の実施例３を図２および図５を参照しながら説明する。
なお、図５は、本発明の実施例２にかかる振動工具のコアを示す図である。また、実施例１と同一の部位、同一の部材には同一の符号を付し、詳しい説明は省略する。この実施例では、コア３１のアーマチュア端面２２ａに対向するコア上面３１ａに超硬の薄板３１ｂをロー付けした構造としてある。

本実施例によれば、コア上面３１ａにロー付けされる超硬の薄板３１ｂの硬度は非常に高いため摩耗しにくく、またコア上面３１ａに強固にロー付けされているので超硬の薄板３１ｂが割れることもない。また、薄板であることにより、磁路の磁気抵抗をほとんど劣化させないため、電磁吸引力が低減することはほとんどない。このため、性能を低下させずに振動するアーマチュア２２のアーマチュア端面２２ａと衝突接触するコア上面３１ａの摩耗を低減することができる。

次に、本発明の実施例４を図２を参照しながら説明する。
また、実施例１と同一の部位、同一の部材には同一の符号を付し、詳しい説明は省略する。この実施例では、アーマチュア２２の表面層を浸炭処理してある。

本実施例によれば、電磁軟鉄等の磁性材料で製作されているアーマチュア２２を浸炭処理するため、アーマチュア２２の表面硬度が上がり、アーマチュア端面２２ａが摩耗しにくくなる。また、浸炭層は一般に表面層だけであるので、表面硬度は上がるが磁路の磁気抵抗はほとんど劣化せず、電磁吸引力が低減することはほとんどない。このため、性能を低下させずにコア上面３１ａと衝突接触するアーマチュア端面２２ａの摩耗を低減することができる。

次に、本発明の実施例５を図６を参照しながら説明する。
なお、図６は、本発明の実施例４にかかる振動工具のストッパネジを示す図である。また、実施例１と同一の部位、同一の部材には同一の符号を付し、詳しい説明は省略する。この実施例では、ビーム２１と衝突接触するストッパ部４０の金属材料からなるストッパネジ４１の先端に弾性を有するゴム材料からなるダンパー部材４１ａが接着剤などで固定されている構成としてある。

本実施例によれば、ストッパ部４０のストッパネジ４１の先端に弾性を有するダンパ部材４１ａを固定してあることにより、ビーム２１とストッパネジ４１とが衝突接触する部位の摩耗を低減すると同時にビーム部２０の振動運動を安定化することができる。このため、耐久性に優れ、安定した振動工具を提供することができる。

次に、本発明の実施例６を図２を参照しながら説明する。
また、実施例１と同一の部位、同一の部材には同一の符号を付し、詳しい説明は省略する。この実施例では、砥石１１を固定保持する砥石保持部材１２が薄板の金属バネ材料などの弾性を有する材料からなる構造としてある。

本実施例によれば、砥石１１を保持する砥石保持部材１２が弾性を有するので、非常に低圧力で振動する砥石１１を工作物に対して押し付けることができ、小さな構造物の加工部位に対して精密な仕上げ加工をすることができる振動工具を提供することができる。

次に、本発明の実施例７として工作物が音叉型振動ジャイロで用いる振動体の場合を説明する。以下、本願では振動体として振動ジャイロで用いられる音叉型振動体を例に取り説明するが、一般の振動体にも適用できることは当然である。

圧電性単結晶を使用した例として、水晶を用いた音叉型振動ジャイロについて図面を用いて説明する。図１１，図１２は振動ジャイロの動作を説明するための図で、図１１は２脚音叉型振動体の外観を示す斜視図、図１２は２脚音叉型水晶ジャイロの駆動検出方法を説明するための断面及び配線や駆動検出回路の模式図である。

図１１において、２脚の音叉型振動体Ｊ１０は水晶を一体加工したものに、駆動及び検出電極を蒸着した構造を有している。すなわち音叉型振動体Ｊ１０は、平行に配置された第１の脚Ｊ１１及び第２の脚Ｊ１２が、基部Ｊ１５に結合した構造を持つものである。第１の脚Ｊ１１には、駆動電極Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３及びＪ４が蒸着されており、第２の脚Ｊ１２には、検出電極Ｊ５、Ｊ６、Ｊ７及びＪ８が蒸着されている。尚、図１１には電極Ｊ１、Ｊ２とＪ５は図示されていない。基部Ｊ１５の底面は、容器への支持に用いられる。

ここで、脚の伸びた方向をＹ軸より角度θだけ傾けたＹ'軸方向とし、２本の脚の並ぶ方向をＸ軸方向、Ｘ軸及びＹ'軸方向に直交する方向をＺ'軸方向とする。本願においては以後の説明にはこの方向軸を使用する。

次に図１２を用いて作用について説明する。図１２において、左側に記す第１の脚Ｊ１１の断面には、脚の平面に駆動電極Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３及びＪ４の断面が記載され、右側に記す第２の脚Ｊ１２の断面には脚の角部に検出電極Ｊ５、Ｊ６、Ｊ７及びＪ８の断面が記載されている。

まず第１の脚Ｊ１１が例えば第２の脚Ｊ１２方向に向かってＸ軸方向に屈曲すると、電極Ｊ２近傍がＹ'軸方向に伸び、電極Ｊ４近傍がＹ'軸方向に縮むが、この時水晶内部では圧電効果により電極Ｊ２近傍ではＸ軸方向に、また電極Ｊ４近傍では−Ｘ軸方向に電界が発生する。この時電界の向きを考慮すると、電極Ｊ２及びＪ４はその絶対値が（ほぼ）同電位で、脚の中央より例えば高い電位となる。Ｘ軸方向に見ると、脚の中央付近に配置された電極Ｊ１及びＪ３は、相対的に電極Ｊ２及びＪ４より低い電位となるので、電極Ｊ２及びＪ４と、電極Ｊ１及びＪ３の間には、電位差が発生する。

圧電効果は可逆的なので、電極Ｊ２及びＪ４と、電極Ｊ１及びＪ３の間に電位差を与えれば、水晶内部には、これに応じた電界が発生し、第１の脚Ｊ１１はＸ軸方向に屈曲することになる。これらのことから、例えば電極Ｊ１及びＪ３の電位を参照として発振条件を超える増幅率でアンプＪＧを用いて増幅し、発振条件を満足する位相に移相回路ＪＰで整えて電極Ｊ２及びＪ４に戻すことにより、第１の脚Ｊ１１の屈曲に伴う機械的な戻り力と電気的な力の間でエネルギーの交換が起こり、第１の脚Ｊ１１をＸ軸方向に自励発振させることができる。

音叉型振動体Ｊ１０全体で見ると、第１の脚Ｊ１１及び第２の脚Ｊ１２の運動量をバランスさせる為、第１の脚Ｊ１１がＸ軸方向に動く時、第２の脚Ｊ１２は−Ｘ軸方向に動き、第１の脚Ｊ１１が−Ｘ軸方向に動く時、第２の脚Ｊ１２がＸ軸方向に動く動作となるが、これを、通常の音叉が１つの面内で振動を行うのを理想とする慣例から、面内屈曲振動と呼ぶが、第１の脚Ｊ１１とアンプＪＧ及び移相回路ＪＰで発生させる振動は面内屈曲振動と同じ動作であり、その周波数は、音叉型振動体Ｊ１０の面内屈曲振動の共振周波数とほぼ一致する。

この状態で音叉型振動体Ｊ１０全体をＹ'軸の回りに角速度ωで回転させると、音叉型振動体Ｊ１０の２つの脚には、面内屈曲振動と直交するＺ'軸方向にコリオリ力Ｆｃが働く。コリオリ力Ｆｃは以下の式で表すことができる。
Ｆｃ＝２・Ｍ・ω・Ｖ
ここで、Ｍは第１の脚Ｊ１１又は第２の脚Ｊ１２の質量であり、Ｖは第１の脚Ｊ１１又は第２の脚Ｊ１２の速度である。このコリオリ力Ｆｃは、第１の脚Ｊ１１及び第２の脚Ｊ１２に、面内屈曲振動の動作方向であるＸ軸方向と直交する、Ｚ'軸方向に変位する屈曲振動を励起する。以下これを面外屈曲振動と呼ぶ。また、コリオリ力は変位でなく、速度に比例する力なので、コリオリ力により発生する面外屈曲振動は、面内屈曲振動より９０度位相が遅れて発生する。

この面外屈曲振動により、例えば第２の脚Ｊ１２の電極Ｊ５及びＪ８の近傍はＹ'軸方向に伸び縮みし、電極Ｊ６及びＪ７の近傍は電極Ｊ５及びＪ８の近傍と逆相で伸び縮みする。例えば、電極Ｊ５及びＪ８の近傍がＹ'軸方向に伸びている時、電極Ｊ５及びＪ８の近傍の第２の脚Ｊ１２の内部ではＸ軸方向に電界が発生し、この時電極Ｊ６及びＪ７の近傍はＹ'軸方向に縮むので、電極Ｊ６及びＪ７の近傍の第２の脚１２の内部では−Ｘ軸方向に電界が発生する。

すなわち電極Ｊ５の電位が電極Ｊ８の電位より高い時、電極Ｊ７の電位は電極Ｊ６の電位より高い状態となる。また、電極Ｊ５及びＪ８の近傍がＹ'軸方向に縮んでいる時、電極Ｊ５及びＪ８の近傍の第２の脚Ｊ１２の内部では−Ｘ軸方向に電界が発生し、この時電極Ｊ６及びＪ７の近傍はＹ'軸方向に伸びるので、電極Ｊ６及びＪ７の近傍の第２の脚Ｊ１２の内部ではＸ軸方向に電界が発生する。すなわち電極Ｊ５の電位が電極Ｊ８の電位より低い時、電極Ｊ７の電位は電極Ｊ６の電位より低い状態となる。

面外屈曲振動により発生するこれら電極Ｊ５及びＪ８と、電極Ｊ６及びＪ７の間の電位差は、Ｚ'軸方向に振れる第２の脚Ｊ１２の方向に従って変化する。見方を変えると、例えば電極Ｊ５が高電位の時電極Ｊ７も高電位であり、この時電極Ｊ６及び電極Ｊ８は低電位であり、電極Ｊ５が低電位の時電極Ｊ７も低電位であり、この時電極Ｊ６及び電極Ｊ８は高電位である。コリオリ力は、電極Ｊ５又は電極Ｊ７と、電極Ｊ６又は電極Ｊ８の間の電位差として現れる。

コリオリ力の検出信号は、電極Ｊ５及び電極Ｊ７を一方の入力信号とし、電極Ｊ６及び電極Ｊ８を他方の入力信号とした、差動バッファＪＤを経て乗算回路ＪＭに導かれ、面内屈曲振動の発振系の出力を、コリオリ力が９０度遅れて発生するのを補正する目的で、アンプＪＧの出力を、移相回路ＪＰ２により９０度移相し、コンパレータＪＣにより２値化した参照信号により乗算され、乗算により検波された結果は、更に積分回路ＪＳにより平滑化され、正確な直流出力として検出できる。この直流出力はコリオリ力Ｆｃに比例し、コリオリ力Ｆｃは角速度ωに比例するので、この直流出力により角速度ωを知ることができる。

このように、振動体は、脚の伸びた方向に直交する面内に直交する２つの方向軸を採り
、この何れかを駆動振動発生方向とし、これに直交する方向を検出振動発生方向としている。即ち脚の２つの直交する振れ方向の振動を利用するものである。この際２つの方向の共振周波数が近接していると、圧電単結晶の結晶異方性や製造時の誤差により、多くの場合は、駆動振動と検出振動に機械的結合が生じる。

駆動振動と検出振動の共振周波数が３００Ｈｚ程度の接近した構成を必要とする振動体に於いては、加工精度の限界や、水晶などの結晶異方性に起因して、駆動振動と検出振動の機械的結合が発生する。この駆動振動と検出振動との機械的結合がある場合は、角速度ωが印加されていない状態でも、脚Ｊ１１及びＪ１２の先端はＸ軸方向への直線的な振動とならず、Ｚ'軸方向にも振動を発生させてしまう。このとき、電極Ｊ５、Ｊ７及びＪ６、Ｊ８からはコリオリ出力と無関係な振動出力が発生しており、これがノイズやドリフトの原因となる。

このような角速度ωが印加されていない状態でのＺ'軸方向の振動を矯正するために、図１３に示すような振動方向の調整構造が採用されている。図１３は２脚音叉型の振動体の外観を示す斜視図で、調整箇所を示している。即ち、矩形の脚の角部を面取りすることにより、角速度ωが印加されていない状態でのＺ'軸方向の振動を矯正することができる。図１２に示すように、調整に用いることができる面取り部分は、２脚型の音叉型振動体Ｊ１０の場合は脚Ｊ１１か脚Ｊ１２の２本の脚の叉部付近の角部である面取り部Ｍ１からＭ８の８カ所から適宜選択することができる。

尚、図１４は３脚音叉型水晶ジャイロの駆動検出方法を説明するための断面及び配線や駆動検出回路の模式図である。今までは全て２脚音叉型水晶ジャイロの振動体や検出回路について説明してきたが、３脚音叉型水晶ジャイロについても全く同様の構成で説明することが出来る。

図１４を簡単に説明すると、脚Ｊ１１と脚Ｊ１２は脚の平面に駆動電極１Ｌ、１Ｒ、１Ｄ、１Ｕ及び２Ｌ、２Ｒ、２Ｄ、２Ｕを有し、これらの駆動電極によって面内屈曲振動をする。脚Ｊ１３においては１つは脚の平面上に電極２Ｒを有しアースされており、２個の電極３Ｄ、３Ｕは角部に形成されこの電極３Ｄ、３Ｕが検出電極を形成する。回路系については図１２の構成と同じである。

次に、上記のような振動体の角速度ωが印加されていない状態でのＺ'軸方向の振動を低減する実施例を図８を用いて説明する。
図８は３脚音叉型の振動ジャイロの振動方向を調整する調整方法を示す斜視図である。図９及び図１０は面取りされた形状を説明するための模式図である。前述のように説明に用いる座標軸は図１１に示すものを用いている。

本実施例で取り扱う振動体は、図１４に示した３脚音叉型振動体の形状を用いて説明するが、前述のように図１２で説明した２脚音叉型振動体とその構成は同等である。すなわち、図１２の２脚音叉型振動体のように、駆動電極Ｊ１からＪ４を用いて振動体を自励発振させ、電極Ｊ５からＪ８にてコリオリ出力を得る構成において、差動アンプＪＤにより打ち消すことが出来ない、脚の検出方向への振動に起因する出力を低減する為の調整を行う方法を述べる。

前述のように、駆動振動と検出振動の共振周波数が３００Ｈｚ程度の接近した構成を必要とする振動ジャイロに於いては、加工精度の限界や、水晶などの結晶異方性に起因して、駆動振動と検出振動の機械的結合が発生する。駆動振動と検出振動の機械的結合がある場合は、角速度ωが印加されていない状態でも脚Ｊ１１及びＪ１２の先端はＸ軸方向への直線的な振動のみとはならず、Ｚ'軸方向にも振動する。このとき、電極Ｊ５、Ｊ７及び
Ｊ６、Ｊ８からはコリオリ出力と無関係な振動出力が発生しており、これはノイズやドリフトの原因となる。

しかしながら、この角速度ωが印加されていない状態でのＺ'軸方向の振動を矩形の脚の角部を面取りすることにより変化させることができる。図１３に示すように、脚Ｊ１１及びＪ１２の２本の脚を調整に用いることができる。面取り部分は角部Ｍ１〜Ｍ８の８カ所のいずれかを研削することで行う。

次に面取りによる調整方法を説明する。図８は調整方法を説明するための模式図である。図８は３脚構成で図示してあるが、２脚構成でも方法は全く同じである。

図８において、図示していない振動工具のビーム部２１に固着されている板状の砥石１１をほぼ脚Ｊ１１に平行な方向に振動させ、砥石１１を脚Ｊ１１の面取り部Ｍ１に適度の圧力で押し付けながら図示していない振動工具を脚Ｊ１１に平行に設定された面取り部長さＭＬになるように往復移動させることで面取り調整を行う。他の面取りについても同様に調整を行うことができる。

ここで、図８において、砥石部１０を固着している振動工具は、図示していないＸ−Ｙ−Ｚステージに固定保持され、面取り箇所の移動や砥石１１の押し付け圧の調整ができる構成になっている。

次に調整作業について、図９と図１０を参照しながら説明する。調整作業は、図１４に示した回路構成を持つ検査装置で検出電極３Ｄ、３Ｕから観測される、駆動振動との結合により生じた検出振動方向への振動に起因する出力の大きさをモニターしながら、これが小さくなる様に、面取り部Ｍ１〜Ｍ８の少なくとも１箇所以上を面取りして調整する作業である。

検出方向への振動は、Ｍ１、Ｍ３、Ｍ５及びＭ７の面取り部の面取り（図９参照）では同じ方向に変化し、また面取り部の方向がこれらと直交するＭ２、Ｍ４、Ｍ６及びＭ８の面取り（図１０参照）では逆方向に変化する。

調整作業は、振動体単体ではなく、振動ジャイロの製造工程に於いて、支持部に取り付けた後に行う。これは、振動体の振動状態が支持部に取り付けられた状態で初めて決定されるからである。更に近年は振動ジャイロの容器としてはセラミックなどの容器を使用するが、後に真空封止を行うことを考慮すると、このような容器は振動体がその中に入るような箱形の容器が最適である。本実施例でも、支持部としては信頼性の高い箱型のセラミック容器を用い、箱型の容器内の支持部に振動体が取り付けられた状態で面取りを行う。

また、この時面取りに使用する振動工具の振動数は、工作物の共振振動数から十分に離れた振動数領域を使用する。工作物の共振振動数付近の振動を工作物に与えると、共振を起こしている部分で工作物が破壊されるからである。

本発明によれば、小さな構造物を作業スペースの小さな所で精密仕上げ加工することができる振動工具を用いるので、箱形容器に収納した状態の小さな振動体の脚部の面取り調整を精密かつ容易に行うことができる。

尚、本発明の好適な実施例について説明してきたが、本発明は上記の説明により何ら限定されるものではない。例えば、上記実施例においては、Ｌ字曲げのトーションスプリングを用いた例として説明したが、十字型のトーションスプリングやその他の形式のトーションスプリングであっても良い。また、水晶３脚音叉の振動体を例に説明したが、本発明
は、脚の数は例えば１，２，３，４，５本等、脚の数に限定されるものでは無く、また材質も水晶に限らず全ての材質の振動体に適用できるものである。また、本実施例においては振動ジャイロ用の振動体として説明したが、振動ジャイロ用に限るものでもない。

本発明の実施例１にかかる振動工具の図である。 図１のＡ−Ａ断面を示す断面図である。 本発明の実施例１にかかる振動工具のヨークベースを示す図である。 本発明の実施例１にかかる振動工具のトーションスプリングを示し、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は、 図４（ａ）のＢ−Ｂ断面を示す断面図である。 本発明の実施例２にかかる振動工具のコアを説明する図である。 本発明の実施例４にかかる振動工具のストッパネジを説明する図である。 本発明の実施例２にかかる振動工具を説明する断面図である。 本発明の実施例７にかかる３脚音叉型の振動ジャイロの特性を調整する調整方法を示す斜視図である。 本発明の実施例７にかかる面取りされた形状を説明するための模式図である。 本発明の実施例７にかかる図９と反対方向に面取りされた形状を説明するための模式図である。 本発明の実施例７にかかる振動体の動作を説明するための図で、従来の２脚音叉型振動体の外観を示す斜視図である。 本発明の実施例７にかかる振動ジャイロの動作を説明するための図で、２脚音叉型水晶ジャイロの駆動検出方法を説明するための断面及び配線や駆動検出回路の模式図である。 本発明の実施例７にかかる２脚音叉型の振動体の調整箇所を示す斜視図である。 本発明の実施例７にかかる３脚音叉型水晶ジャイロの駆動検出方法を説明するための断面及び配線や駆動検出回路の模式図である。 従来の比較的小型の振動工具を説明する図である。

符号の説明

１０ 砥石部
１１ 砥石
１２ 砥石保持部材
２０ ビーム部
２１ ビーム
２２ アーマチュア
２２ａ アーマチュア端面
２３ トーションスプリング
２３ａ トーションスプリング固定端
２３ｂ トーションスプリング可動端
２３ｃ トーションスプリングＬ字曲げ部
３０ 電磁吸引力発生部
３１ コア
３１ａ コア上面
３１ｂ 超硬の薄板
３２ ボビン
３３ コイル
３４ ヨーク
３５ 保持部取り付けナット
３６ コイル端子
４０ ストッパ部
４１ ストッパネジ
４１ａ ダンパー部材
４２ ストッパ取り付けナット
５０ ヨークベース
５１ アーマチュア穴
５２ ヨークベース側トーションスプリング固定部
５３ ヨークベース側トーションスプリング固定ネジ穴
５４ ストッパ部取り付けネジ穴
６０ 保持部
６５ トーションスプリング押え板
６６ 調節シム
６７ トーションスプリング固定ネジ
７１ 回転軸
７２ 偏心軸
７３ 板バネ
７４ カムフォロア
７４ａ カムフォロア長溝
Ｊ１〜Ｊ８ 電極
Ｊ１０ 音叉型振動体
Ｊ１１ 第１の脚
Ｊ１２ 第２の脚
Ｊ１３ 第３の脚
Ｊ１５ 基部
ＪＣ コンパレータ
ＪＤ 差動バッファ
ＪＧ アンプ
ＪＭ 乗算回路
ＪＰ，ＪＰ２ 移相回路
ＪＳ 積分回路
Ｍ１〜Ｍ８ 面取り部
ＭＬ 面取り部長さ

Claims (10)

1. 工作物に対し砥石を振動させて精密仕上げ加工を行う振動工具において、
   前記砥石とこの砥石を固定保持する砥石保持部材とを有する砥石部と、
   この砥石部とアーマチュアとトーションスプリングとが固定されるビーム部と、
   前記アーマチュアを駆動しコア及びコイルを有する電磁吸引力発生部と、
   この電磁吸引力発生部と前記ビーム部と前記ビーム部の位置を規制するストッパ部とが固定されるヨークベースとを備え、
   前記トーションスプリングは、前記ビーム部に固定される可動端と前記ヨークベースに固定される固定端とを備えると共に、前記ビーム部を回転振動運動可能に保持し、
   前記砥石部は、前記アーマチュアの運動する向きと反対の向きに運動することを特徴とする振動工具。
2. 前記砥石部は、前記ヨークベースに対して前記電磁吸引力発生部が配設される側と反対側に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の振動工具。
3. 前記砥石部は、前記ビーム部の回転振動運動における中心部近傍に前記ビーム部に対して略直角に固着されることを特徴とする請求項１または２に記載の振動工具。
4. 前記ヨークベースと前記トーションスプリングとの間には、前記アーマチュアと前記コアとの間のクリアランスを調整するための調節シムが配設されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の振動工具。
5. 前記コアは、前記アーマチュアと対向する上面に超硬の薄板がロー付けされることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の振動工具。
6. 前記アーマチュアが浸炭処理されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の振動工具。
7. 前記ストッパ部はストッパネジを有し、このストッパネジの先端に弾性を有するダンパー部材が設けられていることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の振動工具。
8. 前記砥石保持部材は、弾性を有する材料からなることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の振動工具。
9. 前記工作物は、基部と駆動電極を備えた駆動脚と検出電極を備えた検出脚とを有する振動体であることを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の振動工具。
10. 前記振動体は、水晶で形成されていることを特徴とする請求項９に記載の振動工具。
    
    

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